油池火災(zāi)火焰高度關(guān)系模型的準(zhǔn)確度研究

李姍姍，孫建剛，王 振，王楠楠，崔利富

(大連民族學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，遼寧大連116605)

池火災(zāi)是指可燃液體泄漏后流到地面形成液池，或流到水面并覆蓋水面遇到點(diǎn)火源而形成的火災(zāi)［1］。在不同類型的火災(zāi)中，池火災(zāi)最為常見。由于熱流量非常高，如果火焰直接接觸到設(shè)備表面，會使設(shè)備產(chǎn)生損壞。當(dāng)池子直徑大于1 m時，池火災(zāi)的破壞作用主要體現(xiàn)在對鄰近人員及設(shè)備的熱輻射影響上，使附近的人員受到傷害并可引燃周圍的可燃物，從而造成重大的損失［1-2］。池火災(zāi)火焰高度決定了火焰表面熱流量、火焰熱輻射強(qiáng)度及火災(zāi)持續(xù)的時間，進(jìn)而決定了火災(zāi)的危險程度及其影響的范圍，因此池火災(zāi)火焰高度的合理預(yù)測對預(yù)防及控制池火災(zāi)事故的發(fā)生，減少事故造成的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前對于池火災(zāi)火焰高度的理論研究集中于CFD軟件模擬及關(guān)系模型計(jì)算兩種方法上［3］。軟件模擬考慮的影響因素較多、準(zhǔn)確性較高，但是軟件操作復(fù)雜，計(jì)算量非常大;關(guān)系模型采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，考慮的影響因素相對較少，但是其計(jì)算簡單、便捷，如果能夠明確其計(jì)算的準(zhǔn)確性，將其應(yīng)用于工程項(xiàng)目中將大大縮短理論計(jì)算時間。

本文為了對大慶油田原油儲罐池火災(zāi)火焰形態(tài)及危害情況加以分析，開展了池火災(zāi)關(guān)系模型用于計(jì)算原油池火災(zāi)火焰高度時的準(zhǔn)確度研究。對不同直徑原油池火災(zāi)火焰高度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，并將測試結(jié)果與池火災(zāi)關(guān)系模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，最后基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果對Thomas關(guān)系模型進(jìn)行了修正。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡介

實(shí)驗(yàn)采用大慶油田原油，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由圓盤、燃燒池及保護(hù)網(wǎng)組成。圓盤直徑分別為1.5，2，3和5 m，圓盤深度為0.15 m，罐底部水墊層的厚度為50 mm，油層漂浮在水面高度100 mm。實(shí)驗(yàn)中將圓盤放于燃燒池中心，燃燒池外圍設(shè)置保護(hù)網(wǎng)以確保實(shí)驗(yàn)的安全，保護(hù)網(wǎng)采用鋼骨架內(nèi)焊接2 mm厚沖孔鋼板網(wǎng)，鋼結(jié)構(gòu)骨架采用L70×70×8角鋼，焊接鏈接，柱下設(shè)置C15混凝土基礎(chǔ)，角鋼柱插入基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)燃燒池及外圍保護(hù)網(wǎng)示意圖如圖1，油池火災(zāi)保護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖2。

圖1 油池火災(zāi)實(shí)驗(yàn)燃燒池及外圍保護(hù)網(wǎng)示意圖

圖2 油池火災(zāi)保護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)平面布置圖

實(shí)驗(yàn)記錄環(huán)境溫度、風(fēng)速和風(fēng)向等氣象參數(shù)。在圓盤底部引出U型管，刻上刻度，并由攝像系統(tǒng)記錄U型管的刻度，由此來計(jì)算豎向燃燒速度。該值將作為后續(xù)池火災(zāi)火焰高度理論計(jì)算的輸入值，實(shí)驗(yàn)方案如圖3。實(shí)驗(yàn)利用攝像機(jī)及紅外成像系統(tǒng)記錄火焰圖像如圖4，通過記錄的火焰圖像測量得到火焰高度。

圖3 圓盤池火災(zāi)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖4 池火災(zāi)火焰圖像

2 火焰高度實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

根據(jù)SFPE的定義，火焰高度定義為火焰鋒線與燃燒表面之間的垂直距離［4］。1.5 m直徑池火災(zāi)點(diǎn)火后900～960 s時間內(nèi)火焰瞬時高度實(shí)驗(yàn)測試值如圖5;池火災(zāi)火焰高度的測試在室外進(jìn)行，測試時間內(nèi)的平均風(fēng)速為0.9 m·s-1，最大風(fēng)速1.3 m·s-1。2 m直徑池火災(zāi)點(diǎn)火后500～560 s時間內(nèi)火焰瞬時高度實(shí)驗(yàn)測試值如圖6;上述測試時間內(nèi)的平均風(fēng)速為0.4 m·s-1，最大風(fēng)速為1.3 m·s-1。3 m直徑池火災(zāi)點(diǎn)火后440～500 s時間內(nèi)火焰瞬時高度實(shí)驗(yàn)測試值如圖7;測試時間內(nèi)平均風(fēng)速為0.4 m·s-1，最大風(fēng)速為0.4 m·s-1，風(fēng)速較小且較為平穩(wěn)。5 m直徑池火災(zāi)點(diǎn)火后500～560 s時間內(nèi)火焰瞬時高度實(shí)驗(yàn)測試值如圖8;測試時間內(nèi)的平均風(fēng)速為0 m·s-1，最大風(fēng)速為0.4 m·s-1。本文取60 s時間內(nèi)的瞬時火焰高度的算術(shù)平均值作為平均火焰高度，這樣計(jì)算平均火焰高度較為簡單，而且準(zhǔn)確度相對較高。從圖5-圖8中清楚可見火焰燃燒過程中的脈動和跳躍現(xiàn)象，1.5 m直徑油池池火災(zāi)火焰平均高度為2.34 m，2 m直徑油池池火災(zāi)火焰平均高度為3.01 m，3 m直徑油池池火災(zāi)火焰平均高度為7.88 m，5 m直徑油池池火災(zāi)火焰平均高度為9.31 m。

圖5 1.5 m直徑油池火災(zāi)火焰高度實(shí)驗(yàn)測試值

圖6 2 m直徑油池火災(zāi)火焰高度實(shí)驗(yàn)測試值

圖7 3 m直徑油池火災(zāi)火焰高度實(shí)驗(yàn)測試值

圖8 5 m直徑油池火災(zāi)火焰高度實(shí)驗(yàn)測試值

3 火焰高度關(guān)系模型的準(zhǔn)確度研究

池火災(zāi)火焰高度的關(guān)系模型是基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及量綱分析等所得到的經(jīng)驗(yàn)公式，應(yīng)用較多的是Thomas關(guān)系模型和Heskestad關(guān)系模型。Thomas［5］基于實(shí)驗(yàn)以及量綱分析，得到了湍流火焰平均高度的關(guān)系模型，計(jì)算式為

式中，H為火焰高度，m;D為池直徑，m;m'為燃料燃燒速率，kg·(m2·s)-1，ρ0為空氣密度，取為1.293 kg·m-3;u為10 m處風(fēng)速，m·s-1;uc為特征風(fēng)速

Heskestad［6］對廣泛的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，得到了下面的火焰高度公式:

式中，˙Qc為熱釋放速率，˙Qc=0.25×3.14×D2×η×Hc×m';η為燃燒效率;Hc為燃料燃燒熱，原油燃燒熱43 890 kJ·kg-1。

將不同池直徑下火焰高度的實(shí)驗(yàn)測試值與上述Thomas和Heskestad關(guān)系模型的理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)值與關(guān)系模型理論計(jì)算值的比較圖如圖9，理論計(jì)算公式中風(fēng)速值取實(shí)驗(yàn)平均風(fēng)速，理論計(jì)算公式中的燃料燃燒速度采用實(shí)驗(yàn)測試值。從圖9可見，對于不同直徑池火災(zāi)，Heskestad經(jīng)驗(yàn)公式理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測試值相比偏差較大。在池直徑為1.5 m和2 m時，Thomas關(guān)系模型火焰高度理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值較為接近;在池直徑為3 m和5 m時，Thomas關(guān)系模型火焰高度理論計(jì)算值小于實(shí)驗(yàn)值且偏差較大。

圖9 池火災(zāi)火焰高度實(shí)驗(yàn)測試值與理論計(jì)算值比較圖

4 火焰高度關(guān)系模型的修正

系模型理論計(jì)算值的比，圖中實(shí)心點(diǎn)分別為池直徑1.5 m、2 m、3 m及5 m時火焰高度測試值與Thomas關(guān)系模型理論值的比，可見火焰高度實(shí)驗(yàn)值與Thomas關(guān)系模型理論值的比與油池直徑的自然對數(shù)值可擬合成線性曲線，由此得到如下修正后的公式:

圖10 火焰高度實(shí)驗(yàn)值與理論值的比與池直徑對數(shù)的關(guān)系

上述公式的修正是基于池直徑1.5，2，3和5 m的原油池火災(zāi)火焰高度實(shí)驗(yàn)值開展的，在池直徑小于5 m時修正公式具有更高的準(zhǔn)確度，但是其在原油池直徑大于5 m時其準(zhǔn)確度還有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

為了對大慶油田原油儲罐池火災(zāi)火焰形態(tài)及危害情況加以分析，開展了池火災(zāi)關(guān)系模型用于計(jì)算原油池火災(zāi)火焰高度時的準(zhǔn)確度研究。搭建了火焰高度實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)對大慶油田原油池火災(zāi)在不同池直徑下的火焰高度進(jìn)行測試，并將測試結(jié)果與應(yīng)用較多的Thomas關(guān)系模型和Heskestad關(guān)系模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明:Thomas關(guān)系模型計(jì)算準(zhǔn)確度高于Heskestad關(guān)系模型;在池直徑為1.5 m和2 m時，Thomas關(guān)系模型火焰高度理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值較為接近;在池直徑為3 m和5 m時，火焰高度實(shí)驗(yàn)值約為Thomas關(guān)系模型理論計(jì)算值的2倍，兩者偏差較大。由于上述關(guān)系模型不是基于原油池火災(zāi)火焰高度實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析所得到的經(jīng)驗(yàn)公式，故應(yīng)用于原油池火災(zāi)火焰高度計(jì)算時會存在一定的偏差。在此基于原油池火災(zāi)火焰高度實(shí)驗(yàn)結(jié)果對準(zhǔn)確度相對較高的Thomas關(guān)系模型進(jìn)行了修正，通過對于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，火焰高度實(shí)驗(yàn)值與Thomas關(guān)系模型理論值的比與油池直徑的自然對數(shù)值可擬合成線性曲線，擬合后得到了修正的Thomas關(guān)系模型。修正后的模型在池直徑小于5 m時其具有更高的準(zhǔn)確度，但是其在原油池直徑大于5 m時準(zhǔn)確度還有待進(jìn)一步的研究。

［1］苑靜，宋文華，張茹，等.原油儲罐池火災(zāi)狀態(tài)下消防救援安全距離的研究［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2009，28(2):124-126.

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